1、轉(zhuǎn)動微觀世界的小引擎淺談費曼的挑戰(zhàn)與納米馬達孫斌、吳宗凱、楊晏泉、張濤【摘要】 本文主要簡述了納米器件的分類，介紹了當今納米馬達器件領(lǐng)域的科技發(fā)展成果和研究進展，并對未來解答費曼的猜想所面臨的困難進行了初步分析。其中，光驅(qū)動的納米馬達的模型和構(gòu)造將是我們重點介紹的對象?！娟P(guān)鍵詞】 納米馬達； 分子馬達； 納米器件； 碳納米管； 光驅(qū)動1959年12月，在美國物理學(xué)年會上，美國著名物理學(xué)家Richard Feynmann提出了一個問題：制造一個器件最少需要多少個原子？時隔五十年，費曼的問題是否得到了解決，下面本文對納米器件的發(fā)展現(xiàn)狀進行初探。納米技術(shù)的定義是研究結(jié)構(gòu)尺寸在1至100納米范圍內(nèi)材料

2、的性質(zhì)及其應(yīng)用。目前科學(xué)家在有關(guān)納米材料的方面已經(jīng)取得了突破性的進展，但是納米技術(shù)的主要研究對象不只是材料方面，實際上它包括三個主要方面，即納米材料、納米電子學(xué)和納米醫(yī)療。 “費曼的挑戰(zhàn)”中所涉及的“器件”就是指由原子、分子人工組裝或自組裝而成的器件；是納米電子學(xué)研究的一個重要組成部分。一直以來，我們所有的技術(shù)都與由數(shù)以億計的原子構(gòu)成的有用形態(tài)有關(guān)。當我們換一個方向，從有限個原子看問題時，不可避免地會產(chǎn)生與宏觀狀態(tài)有著根本性不同的特性。尺寸由宏觀減小到介觀，由于表面原子數(shù)占據(jù)總原子數(shù)的比例的增加，產(chǎn)生了諸如表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)、庫侖堵塞效應(yīng)、介電限域效應(yīng)等特殊的

3、效應(yīng)。 與研究納米材料并利用其光學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)、電學(xué)、動力學(xué)特性不同的是，納米器件有一定的“智能”，可以起到控制單向?qū)щ姟?shù)據(jù)存儲、對外做功的作用。就目前的研究進展，大致包括納米二極管、納米記錄元件、納米馬達等類別。本文著重于介紹納米馬達的有關(guān)發(fā)展概況。由熱力學(xué)第二定律的Kelvin說法：“不可能從單一熱源取出熱使之完全變?yōu)楣?，而不發(fā)生其他的變化”；即對于一個熱機，必須同時存在兩個溫度不同的物體。但由于分子水平上散熱極快，在納米尺度上保持溫度差是不可能的，所以納米馬達必須具有在等溫條件下工作的能力。雖然納米馬達不能以熱能作為工作時的能量來源，但是可以以正常溫度下的化學(xué)反應(yīng)，或外部的電力作為能量

4、來源。而激光由于具有一系列獨特的優(yōu)勢：可以對一個馬達遠程驅(qū)控，不需要電控的微電極系統(tǒng)，也不受制于化學(xué)控制的液態(tài)環(huán)境要求。因而，近些年來，在有關(guān)光控納米器件的研究上也取得了顯著進展。下面我們就按照上述的分類原則，分別介紹化學(xué)及激光驅(qū)動的納米馬達和電力驅(qū)動的納米馬達。一、光驅(qū)動的納米馬達首先介紹光驅(qū)動的納米馬達，又稱分子馬達。它相比于電驅(qū)動納米馬達，起步較晚，但近幾年研究成果顯著，其內(nèi)容涵蓋了化學(xué)，物理，生命科學(xué)等多個學(xué)科，能量來源主要是化學(xué)、激光。具體來講，分子馬達又可分為兩類：一類是基于合成分子，構(gòu)建需要的分子模型；另一類則是基于生命體內(nèi)生物大分子如蛋白、DNA等進行人工改造而形成的，甚至使用

5、現(xiàn)成的生物馬達結(jié)合無機材料制成。其中第一類，人工合成的分子馬達，相比于生物體中的分子馬達，對于環(huán)境、介質(zhì)的要求相對較寬松，有更好的應(yīng)用價值和科技含量，是現(xiàn)在科學(xué)家研究的重點。而這當中，光控納米器件的研究又有顯著的進展。正如前文所述，激光具有一系列獨特的優(yōu)勢，由于光吸收一般不產(chǎn)生化學(xué)廢物，激光手段干凈適于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。本文也將重點介紹一種人工合成的光控分子馬達。圖1所示即為這種光驅(qū)動納米馬達，該結(jié)構(gòu)由上下兩部分組成，通過雙鍵結(jié)合，通過光和熱的控制，可以實現(xiàn)上部分的360°循環(huán)旋轉(zhuǎn)運動。通過光照，使馬達發(fā)生順反異構(gòu)，上部旋轉(zhuǎn)90°，此時變?yōu)椴环€(wěn)定結(jié)構(gòu)，存在張力；然后通過熱交換，

6、張力釋放，同時再旋轉(zhuǎn)90°，到達另一穩(wěn)定態(tài)；第三步再通過光照，使其成為另一不穩(wěn)定態(tài)；最后通過吸熱，這個不穩(wěn)定態(tài)又能旋轉(zhuǎn)90°，而回到初始狀態(tài)。整個過程中，分子通過4個90°的旋轉(zhuǎn)，完成了一個循環(huán)，其中的兩個熱過程是不可逆的，保證分子單方向轉(zhuǎn)動。只要保持適當波長的光照和合適的溫度，即可實現(xiàn)分子的單向轉(zhuǎn)動，此原理即為實現(xiàn)光控分子的主要機理。上文中我們所描述的是第二代結(jié)構(gòu)的運轉(zhuǎn)過程，與圖2（左）所示的第一代結(jié)構(gòu)相比，在旋轉(zhuǎn)過程中的阻力大為減小，可使轉(zhuǎn)速達到更高的標準。上述分子只適用于溶液中進行，為了在生產(chǎn)中更好的應(yīng)用，需使分子在表面固定化。如圖3所示結(jié)構(gòu)，通過在原分子下

7、端伸出兩個末端的Si-O的鏈，與石英表面連接，使馬達垂直固定在石英表面上，而馬達上部的轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)不受影響，仍能保持轉(zhuǎn)動循環(huán)的性質(zhì)，從而使得分子馬達更具應(yīng)用價值。在自然界，生物體中本就含有很多分子馬達，以此為基礎(chǔ)，人工對其結(jié)構(gòu)進行一些修改即得到第二類分子馬達?，F(xiàn)以DNA分子馬達為例作簡要說明。DNA分子具有結(jié)構(gòu)的多樣性、可編程性和變化的可控性等諸多優(yōu)勢，其運轉(zhuǎn)是根據(jù)DNA不同構(gòu)象間的可控轉(zhuǎn)化而實現(xiàn)的。溫度、pH和離子濃度等環(huán)境因素都會對DNA的構(gòu)象轉(zhuǎn)化產(chǎn)生影響，通過對這些因素的控制，即可實現(xiàn)人為控制的分子轉(zhuǎn)化，從而實現(xiàn)對DNA分子馬達的控制。蛋白馬達是另一類生物分子馬達，按運動形式又可分為線動和轉(zhuǎn)

8、動。線性馬達的工作原理類似于發(fā)動機，是利用ATP水解釋放出的化學(xué)能產(chǎn)生與軌道的相對運動。轉(zhuǎn)動馬達的機理則類似于電機，由“定子”和“轉(zhuǎn)子”兩部分構(gòu)成。某些蛋白馬達的性質(zhì)及其與人造機器的比較列于表1。二、電驅(qū)動的納米馬達上文我們提到的是光化驅(qū)動納米馬達，另外，我們還可以通過電子的動量變化來驅(qū)動納米馬達，使其運轉(zhuǎn)。英國蘭卡斯特大學(xué)的理論物理學(xué)家設(shè)計出一款納米馬達。 以一種新奇的機制-“電子風(fēng)”來運行，我們可以將這款馬達描述成一座碳納米管風(fēng)車。如圖4（上）。該裝置由雙壁碳納米管構(gòu)成。其中，外管夾住兩個外部電極，而較短的內(nèi)管則能夠自由移動與旋轉(zhuǎn)。該裝置之所以被稱為風(fēng)車，是因為它由在兩電極之間施加直流電壓

9、后產(chǎn)生的一陣電子風(fēng)來驅(qū)動。當這種裝置移動通過外層碳納米管時，電子流獲得角動量，產(chǎn)生一個正切力，從而導(dǎo)致內(nèi)部的碳納米管旋轉(zhuǎn)。需要注意的是，電子風(fēng)所產(chǎn)生的力明顯超過摩擦力，根據(jù)所施加的電壓，旋轉(zhuǎn)的內(nèi)管的速度可高達8000m/s。后來，物理學(xué)家制作出稱為碳納米鉆頭的器件，如圖4（下）。它與原器件所不同的是，外管只夾住1個電極，而自由移動的內(nèi)管的一端則與汞電極接觸，但仍能自由旋轉(zhuǎn)。美國科學(xué)家用碳納米管造出了世界上最小的電動機，它的尺寸只有頭發(fā)絲的粗細的1/2000，能夠在電壓驅(qū)動下轉(zhuǎn)動。電動機的旋轉(zhuǎn)葉片由Au制成，其長度為300nm，葉片安裝在一根由多層碳納米管做成的轉(zhuǎn)軸上。制作時，首先利用柔性技術(shù)，

10、在硅底板上制作出馬達的主體結(jié)構(gòu)，同時利用二氧化硅形成轉(zhuǎn)子的位置。然后，使用納米探針安裝多層碳納米管轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子使用的納米管直徑相當于發(fā)絲的1/2000，轉(zhuǎn)子上安裝了長度約為300nm的金葉片，馬達可嵌入到硅芯片上。我們可以提供相應(yīng)的電壓信號,利用這些電壓信號，控制轉(zhuǎn)子的定位、轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向。電驅(qū)動納米馬達有著它自身的優(yōu)勢。電驅(qū)動納米馬達可將電能轉(zhuǎn)化為機械能，而電壓的控制可以較容易的實現(xiàn)。與生物馬達相比，其工作溫度范圍較大。生物馬達一般只能在活體中進行，并且在50以上就會停止工作，而電驅(qū)動納米馬達可以在極低溫度和數(shù)百度的高溫工作。通過對電驅(qū)動納米馬達研究成果的論述，我們小組根據(jù)納米馬達的優(yōu)勢對其應(yīng)

11、用進行了初步猜想。我們可以把它應(yīng)用于人體血管的疏通：首先，可以通過注射某種藥物將人體血管進行預(yù)處理，使血管壁具有上述試驗中“外層碳管”的功能，并輸入替代“內(nèi)層碳管”的物質(zhì)；然后，再在需要疏通的血管兩端加一定的電壓，而此時的電壓應(yīng)與具體情況適應(yīng)，使“內(nèi)層碳管”的速度合適；最后，通過“內(nèi)層碳管”的高速運動，對堵塞血管進行疏通，以達到功效。結(jié)語經(jīng)過以上的概述和探討，費曼的猜想是否已經(jīng)有了明確的答案呢？研究者們?nèi)匀徊荒芙o出明確解答。制造一個器件最少所需的原子個數(shù)仍然是未知。費曼的猜想側(cè)重于理論層面，而我們現(xiàn)在先應(yīng)重點研究的是納米器件的應(yīng)用。故結(jié)語中主要對納米器件的問題進行一下總結(jié)。目前在納米器件領(lǐng)域存

12、在的問題主要有以下幾個方面?，F(xiàn)在的納米器件還僅停留在理論或是實驗室階段，尚不能應(yīng)用于實際，也沒有解決實際問題的明確思路；在介觀層面，人們的認知尚存在很大的局限性；現(xiàn)在研究的納米器件并未形成體系，研究者們也并不能給出其目前可以應(yīng)用的地方，也就是說目前僅有納米器件，而不能將其組裝成納米尺度下的設(shè)備；在技術(shù)層面上，由于納米器件的表面積體積比很大，故其表面效應(yīng)不能忽略，納米器件很容易和體系粘連在一起，另外，如何將制作納米器件工業(yè)化也是很大的問題，裝配它的設(shè)備也須是原子級的，目前很難實現(xiàn)。具體到納米馬達，正如前文所述，生物體中就有很多的分子馬達，能實現(xiàn)非常多樣的功能，但是這些分子馬達只能在適宜的溫度下使

13、用（使用條件限制較嚴格）。目前研究人員所要研究的納米馬達正是為了克服自然界中分子馬達的不足。然而，首先，對于生物馬達的自主自足性現(xiàn)在沒有任何理論能給予滿意的解釋，且人工設(shè)計的分子馬達遠沒有自然的精巧。雖然已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)一些（循環(huán)運動、定向運動、物體輸送、閥門開關(guān)等）簡單的功能，但在溶液的布朗運動、工作的兼容性、多組分系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換過程中仍難以控制。其次，在分子設(shè)計方面，研究人員也面臨很大的困難，往往設(shè)計一個分子就需要花費大量的時間，而合成這個分子往往需要更多的時間。同樣地，上述與分子器件相關(guān)的問題也在納米馬達上有體現(xiàn)。問題如上，那么現(xiàn)在研究方向（也即解決這些問題的方向）是什么，我們也給出一個概括

14、性的說明。第一，研究要搞清楚介觀世界中物質(zhì)的具體物理性質(zhì)（也即研究在介觀世界中的卡諾熱機理論），只有將介觀世界的物理性質(zhì)研究透徹，才有可能有效地設(shè)計應(yīng)用納米器件。第二，研究也在解決由溶液體系向固定體系轉(zhuǎn)變的問題（也就是應(yīng)用一般應(yīng)是在固定住納米器件的前提下）。第三，降低生產(chǎn)的成本、實現(xiàn)工業(yè)化量產(chǎn)是我們最后需要解決的。可以期望，在未來的幾十年內(nèi)，隨著科技的迅速發(fā)展，我們也許能在現(xiàn)實生活中使用上納米器件。納米計算機、納米機器人等會在生活中發(fā)揮巨大的功用。那時，我們將見證科技的飛躍，我們使用的將不僅是幾十億個甚至更多的原子組成的器械，而且還有幾個幾十個原子組成的納米器械，其將會在食品、醫(yī)療、計算機、工業(yè)等生活的各個方面發(fā)揮巨大的作用。更有人斷言：21世紀重視納米技術(shù)的國家會成為世界的先進國家。當然，原子數(shù)目的極限到底是多少，費曼的猜想能否有具體的答案，我們?nèi)栽谄诖⒖嘉墨I：1 舒咬根，歐陽鐘燦 .生物分子馬達J.物理，2007，36（10）：7357412 佚名 .電子“風(fēng)”舞動納米小馬達J.發(fā)明與創(chuàng)新，2008，283（8）：333 佚名 .類似碳納米管風(fēng)車的納米馬達N.物理學(xué)評論快報，200806244